JP4464692B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

The fuel cell system according to the present invention comprises a reformer 12 for receiving a hydrocarbon fuel supply and generating a hydrogen-containing reformed gas by making use of a reforming reaction; a fuel cell assembly 14 for generating power after causing an anode to receive the reformed gas and causing a cathode to receive an oxygen-containing cathode gas; cathode off-gas supply flow path 20 for supplying a cathode off-gas, which is discharged from the cathode, to the reformer 12 ; and bypass flow path 24 for bypassing the cathode and directly supplying the cathode gas to the reformer 12 at the time of system warm-up.

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を生成する改質部を備えた燃料電池システムに適用して好適である。   The present invention relates to a fuel cell system, and is particularly suitable for application to a fuel cell system including a reforming unit that generates hydrogen from a hydrocarbon-based fuel using a reforming reaction.

燃料電池を発電装置として用いる場合、燃料電池のアノードに水素を供給する必要がある。アノードに供給する水素を発生させるため、ガソリン、メタノール、天然ガスなどの炭化水素系燃料から改質反応により水素を取り出す方法が知られている。   When using a fuel cell as a power generator, it is necessary to supply hydrogen to the anode of the fuel cell. In order to generate hydrogen to be supplied to the anode, a method is known in which hydrogen is extracted from a hydrocarbon-based fuel such as gasoline, methanol or natural gas by a reforming reaction.

改質反応としては、水蒸気改質反応、部分酸化反応など種々の反応がある。一例として、ガソリンの一成分であるイソオクタン（Ｃ８Ｈ１８）について、その改質反応を以下に示す。 As the reforming reaction, there are various reactions such as a steam reforming reaction and a partial oxidation reaction. As an example, the reforming reaction of isooctane (C 8 H 18 ), which is a gasoline component, is shown below.

Ｃ８Ｈ１８＋８Ｈ２Ｏ → ８ＣＯ＋１７Ｈ２ ・・・（１）
Ｃ８Ｈ１８＋４Ｏ２ → ８ＣＯ＋９Ｈ２ ・・・（２） C 8 H 18 + 8H 2 O → 8CO + 17H 2 (1)
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (2)

上記（１）式で表される反応は水蒸気改質反応であり、上記（２）式で表される反応は部分酸化反応である。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、部分酸化反応は発熱反応である。通常、これらの改質反応は改質器と呼ばれる反応器内で行われる。これらの改質反応は、いずれか１つを採用することもできるが、双方を同時に１つの改質器内で起こすことも可能である。   The reaction represented by the above formula (1) is a steam reforming reaction, and the reaction represented by the above formula (2) is a partial oxidation reaction. The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and the partial oxidation reaction is an exothermic reaction. Usually, these reforming reactions are performed in a reactor called a reformer. Any one of these reforming reactions can be employed, but both can occur simultaneously in one reformer.

燃料電池の動作温度は、最も低い固体高分子型（ＰＥＭ）で８０℃前後であり、固体電解質型（ＳＯＦＣ）では１０００℃に達するものもある。このため、電力を発生させるためには燃料電池を動作温度まで暖機する必要がある。特開２００３−１５１５９９号公報には、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを改質器に供給して循環させる技術が開示されており、システムの起動時には、改質器へ供給するカソードオフガスの量が理論空燃比に対応する空気量の約４倍となるように制御して、改質器から排出された高温のガスをアノードに供給して燃料電池を暖機することが記載されている。   The operating temperature of the fuel cell is around 80 ° C. for the lowest solid polymer type (PEM), and 1000 ° C. for the solid electrolyte type (SOFC). For this reason, in order to generate electric power, it is necessary to warm up the fuel cell to the operating temperature. Japanese Patent Laid-Open No. 2003-151599 discloses a technique for supplying and circulating a cathode off-gas discharged from a cathode of a fuel cell to a reformer, and the cathode off-gas supplied to the reformer at the start-up of the system. In which the amount of air is controlled to be about four times the amount of air corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio, and the high temperature gas discharged from the reformer is supplied to the anode to warm up the fuel cell. Yes.

特開２００３−１５１５９９号公報JP 2003-151599 A 特開昭６１−１９０８６５号公報JP 61-190865 A

しかしながら、暖機時にカソードガスを燃料電池に供給し、燃料電池から排出されたカソードオフガスを改質器に供給すると、カソードガスは常温の空気であるため、カソードガスによって燃料電池が冷却されてしまうという問題が生じる。このため、燃料電池を含むシステムの暖機に時間がかかり、燃料電池から実際に電力が得られるまでの時間が長くなるという問題が生じる。   However, when the cathode gas is supplied to the fuel cell during warm-up and the cathode off-gas discharged from the fuel cell is supplied to the reformer, the cathode gas is room temperature air, and the fuel cell is cooled by the cathode gas. The problem arises. For this reason, it takes time to warm up the system including the fuel cell, resulting in a problem that the time until the power is actually obtained from the fuel cell becomes long.

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの起動時に、暖機に必要となる時間を最小限に抑えることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to minimize the time required for warm-up when the fuel cell system is started.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系燃料の供給を受け、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部へ熱を供給する燃焼部と、を有する改質器と、アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記改質部に供給するカソードオフガス供給手段と、システムの暖機時に、前記カソードをバイパスして前記カソードガスを前記改質部に直接供給するバイパス手段と、を備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention receives a supply of a hydrocarbon-based fuel, generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction, and supplies heat to the reforming section. A reformer having a combustion section; a fuel cell that receives supply of the reformed gas to an anode and a cathode gas containing oxygen to a cathode; and a fuel cell that generates electric power; and is discharged from the cathode Cathode off-gas supply means for supplying cathode off-gas to the reforming section; and bypass means for bypassing the cathode and supplying the cathode gas directly to the reforming section when the system is warmed up And

第２の発明は、第１の発明において、システムの暖機時に、前記改質部に供給した前記カソードガスにより前記炭化水素系燃料をリーン燃焼させることを特徴とする。   A second invention is characterized in that, in the first invention, the hydrocarbon fuel is lean burned by the cathode gas supplied to the reforming section when the system is warmed up.

第３の発明は、第１又は第２の発明において、システムの暖機完了後、前記改質部に供給した前記カソードオフガス及び前記炭化水素系燃料を原料として前記改質ガスを生成することを特徴とする。   According to a third invention, in the first or second invention, after the completion of warming-up of the system, the reformed gas is generated using the cathode offgas and the hydrocarbon fuel supplied to the reforming unit as raw materials. Features.

第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池に冷却用流体を供給する冷却用流体供給手段と、システムの暖機時に、前記冷却用流体の供給を停止する冷却用流体供給停止手段と、を更に備えたことを特徴とする。   According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the cooling fluid supply means for supplying a cooling fluid to the fuel cell, and the supply of the cooling fluid is stopped when the system is warmed up. And a cooling fluid supply stopping means.

第１の発明によれば、システムの暖機時に、カソードをバイパスしてカソードガスを改質部に直接供給することができるため、カソードガスによって燃料電池が冷却されてしまうことを抑止できる。従って、暖機効率を高めることができ、短時間で燃料電池の暖機を完了することが可能となる。   According to the first invention, when the system is warmed up, the cathode can be bypassed and the cathode gas can be directly supplied to the reforming unit, so that it is possible to prevent the fuel cell from being cooled by the cathode gas. Accordingly, the warm-up efficiency can be increased, and the warm-up of the fuel cell can be completed in a short time.

第２の発明によれば、改質部に供給したカソードガスにより炭化水素系燃料をリーン燃焼させることができるため、リーン燃焼の際に発生した熱によって、改質部、燃料電池を含むシステム内を確実に暖機することが可能となる。   According to the second invention, since the hydrocarbon fuel can be lean burned by the cathode gas supplied to the reforming section, the heat generated during the lean combustion is used to generate the inside of the system including the reforming section and the fuel cell. Can be reliably warmed up.

第３の発明によれば、改質部に供給したカソードオフガス及び炭化水素系燃料を原料として改質ガスを生成するため、カソードオフガス中の水蒸気、酸素を改質反応に利用することができ、システム全体の効率を高めることが可能となる。   According to the third invention, since the reformed gas is generated using the cathode offgas and hydrocarbon fuel supplied to the reforming section as raw materials, water vapor and oxygen in the cathode offgas can be used for the reforming reaction, It becomes possible to increase the efficiency of the entire system.

第４の発明によれば、システムの暖機時に燃料電池への冷却用流体の供給を停止することができるため、暖機効率をより向上させることができる。   According to the fourth invention, since the supply of the cooling fluid to the fuel cell can be stopped when the system is warmed up, the warming up efficiency can be further improved.

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

実施の形態１．
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。燃料電池システム１０は、主として、炭化水素系燃料、水、空気を原料として、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）を生成する外部加熱可能な熱交換型の改質器１２と、改質ガスを燃料とし、空気を酸化ガスとして用いて、電力を発生する燃料電池１４とを有している。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1A and FIG. 1B are schematic views showing the configuration of the fuel cell system 10 according to Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell system 10 mainly includes an externally heatable reformer 12 that generates hydrogen-rich fuel gas (reformed gas) using hydrocarbon fuel, water, and air as raw materials, and a reformed gas. And a fuel cell 14 that generates electric power using air as an oxidizing gas.

燃料電池１４は、発電を行う際に水（水蒸気）を生成する種類のものであればよく、具体的には、固体高分子型（ＰＥＭ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、水素分離膜型等の燃料電池である。例えば固体高分子型を例に挙げると、燃料電池１４は、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、燃料ガス（改質ガス）および酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。   The fuel cell 14 may be of any type that generates water (water vapor) when generating power, and specifically, a solid polymer type (PEM), a phosphoric acid type (PAFC), a hydrogen separation membrane type, and the like. This is a fuel cell. For example, taking a solid polymer type as an example, the fuel cell 14 is configured by laminating a plurality of cells including an electrolyte membrane, an anode, a cathode, and a separator. A fuel gas (reformed gas) and oxidizing gas flow path is formed between the anode and the cathode. The electrolyte membrane is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine-based resin. Both the anode and the cathode are made of carbon cloth woven from carbon fibers. The separator is formed of a gas-impermeable conductive member such as dense carbon which is compressed by gas and impermeable to gas.

改質器１２は、その機能上から、上記（１）式、（２）式で表される改質反応を生じさせる改質側と、改質反応を行うための熱を供給する燃焼側とに分けることができる。改質側には、燃料としてイソオクタン（Ｃ８Ｈ１８）を一成分とするガソリンが供給される。また、改質側には水蒸気と空気（酸素）が供給される。そして、改質側に供給されたこれらのガソリン、水蒸気、空気から、上記（１）式、（２）式で表される改質反応が行われる。なお、改質側へ送る燃料としては、天然ガスなどの他の炭化水素燃料やアルコールなどの含酸素燃料など、種々の炭化水素系燃料を用いることもできる。また、その他、エーテル、アルデヒドなどを燃料として用いることもできる。 In view of its function, the reformer 12 includes a reforming side that causes the reforming reaction represented by the above formulas (1) and (2), and a combustion side that supplies heat for performing the reforming reaction. Can be divided into Gasoline containing isooctane (C 8 H 18 ) as a component is supplied to the reforming side. Further, steam and air (oxygen) are supplied to the reforming side. And the reforming reaction represented by the above formulas (1) and (2) is performed from these gasoline, water vapor, and air supplied to the reforming side. As the fuel sent to the reforming side, various hydrocarbon fuels such as other hydrocarbon fuels such as natural gas and oxygen-containing fuels such as alcohol can be used. In addition, ether, aldehyde, etc. can also be used as fuel.

改質反応を促進するため、改質側には改質用触媒が備えられている。ガソリンや天然ガスを原料とする場合には、例えばニッケル触媒やロジウム貴金属を改質用触媒として用いることができ、メタノールを原料とする場合には、ＣｕＯ−ＺｎＯ系触媒、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒などが有効であることが知られている。   In order to promote the reforming reaction, a reforming catalyst is provided on the reforming side. When gasoline or natural gas is used as a raw material, for example, a nickel catalyst or rhodium noble metal can be used as a reforming catalyst. When methanol is used as a raw material, a CuO—ZnO catalyst, a Cu—ZnO catalyst, etc. Is known to be effective.

改質器１２の燃焼側には、燃焼用燃料と燃焼用空気が送られる。そして、燃焼用燃料を燃焼させることにより改質反応を行うための熱が生成される。なお、改質器１２の燃焼側は、改質器１２とは別に設けた燃焼器を含む構成としても良い。この場合、燃焼用燃料と燃焼用空気を燃焼器で燃焼させ、燃焼器から排出された高温の燃焼ガスにより改質反応を行うための熱を供給する。   Combustion fuel and combustion air are sent to the combustion side of the reformer 12. Then, heat for performing the reforming reaction is generated by burning the combustion fuel. Note that the combustion side of the reformer 12 may include a combustor provided separately from the reformer 12. In this case, combustion fuel and combustion air are combusted in the combustor, and heat for performing the reforming reaction is supplied by the high-temperature combustion gas discharged from the combustor.

このように、改質器１２の燃焼側から熱を供給することで、改質側に送られたガソリン、水蒸気、空気（酸素）が反応し、上記（１）式、（２）式で示した水蒸気改質反応と部分酸化反応が併せて起こり、改質用触媒がそれらの反応を促進して、水素リッチな改質ガスが生成される。   In this way, by supplying heat from the combustion side of the reformer 12, gasoline, water vapor, and air (oxygen) sent to the reforming side react, and are expressed by the above formulas (1) and (2). The steam reforming reaction and the partial oxidation reaction occur together, and the reforming catalyst promotes the reactions, and a hydrogen-rich reformed gas is generated.

改質反応により生成された水素リッチな改質ガスは、改質ガス流路１６を通って燃料電池１４のアノードに供給される。一方、燃料電池１４のカソードには、酸化ガスとしての空気（カソードガス）が供給される。燃料電池１４のアノードでは、改質ガスが送り込まれると、この改質ガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、酸化ガスが送り込まれると、この酸化ガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１４内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１４内で発生する熱を吸収して水蒸気として生成される。 The hydrogen-rich reformed gas generated by the reforming reaction is supplied to the anode of the fuel cell 14 through the reformed gas channel 16. On the other hand, air (cathode gas) as an oxidizing gas is supplied to the cathode of the fuel cell 14. When the reformed gas is sent to the anode of the fuel cell 14, hydrogen ions are generated from hydrogen in the reformed gas (H 2 → 2H + + 2e − ), and when the oxidizing gas is sent to the cathode, the oxidation gas is oxidized. Oxygen ions are generated from oxygen in the gas, and electric power is generated in the fuel cell 14. At the same time, water is generated from the hydrogen ions and oxygen ions at the cathode ((1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O). Most of the water is generated as water vapor by absorbing heat generated in the fuel cell 14.

燃料電池１４のカソードはカソードエアポンプ１８と接続されており、カソードにはカソードエアポンプ１８からカソードガスが送り込まれる。また、カソードは、カソードオフガス流路２０によって改質器１２の改質側と接続されている。カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路２０を通って改質側に送られる。   The cathode of the fuel cell 14 is connected to a cathode air pump 18, and cathode gas is sent from the cathode air pump 18 to the cathode. Further, the cathode is connected to the reforming side of the reformer 12 by the cathode off-gas channel 20. The cathode off gas discharged from the cathode is sent to the reforming side through the cathode off gas flow path 20.

カソードエアポンプ１８とカソードを接続する流路には、三方弁２２が設けられている。三方弁２２は、バイパス流路２４によって改質器１２の改質側に接続されている。従って、三方弁２２の設定を切り換えることによって、燃料電池１４のカソードを経由することなく、改質側に直接カソードガスを送ることが可能である。   A three-way valve 22 is provided in the flow path connecting the cathode air pump 18 and the cathode. The three-way valve 22 is connected to the reforming side of the reformer 12 by a bypass channel 24. Therefore, by switching the setting of the three-way valve 22, it is possible to send the cathode gas directly to the reforming side without going through the cathode of the fuel cell 14.

電力を発生する際、燃料電池１４内で発熱が生じるため、燃料電池１４を冷却するために冷却用エアポンプ２６が設けられている。そして、冷却用エアポンプ２６から燃料電池１４に冷却用ガスを送ることで、空冷により燃料電池１４を冷却するようにしている。   Since heat is generated in the fuel cell 14 when electric power is generated, a cooling air pump 26 is provided to cool the fuel cell 14. Then, by sending a cooling gas from the cooling air pump 26 to the fuel cell 14, the fuel cell 14 is cooled by air cooling.

通常の運転時には、図１（Ａ）に示すように、カソードエアポンプ１８から送られたカソードガスが、燃料電池１４のカソードに送られるように三方弁２２の状態が設定される。カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードで生成された水蒸気の他、カソードで反応しなかった酸素を含んでいる。本実施形態の燃料電池システム１０では、カソードオフガス流路２０を経由させてカソードオフガスを改質器１２の改質側に送り、カソードオフガス中の水蒸気、酸素を、上記（１）式、（２）式で表される改質反応を行うための原料として供給する。このように、カソードオフガス中の水蒸気、酸素を改質反応に利用することで、システム全体の効率を高めることができる。   During normal operation, the state of the three-way valve 22 is set so that the cathode gas sent from the cathode air pump 18 is sent to the cathode of the fuel cell 14 as shown in FIG. The cathode off-gas discharged from the cathode contains oxygen that has not reacted at the cathode, in addition to water vapor generated at the cathode. In the fuel cell system 10 of the present embodiment, the cathode offgas is sent to the reforming side of the reformer 12 via the cathode offgas flow path 20, and the water vapor and oxygen in the cathode offgas are expressed by the above formula (1), (2 ) Is supplied as a raw material for carrying out the reforming reaction represented by the formula. In this way, the efficiency of the entire system can be increased by using the water vapor and oxygen in the cathode off-gas for the reforming reaction.

一方、燃料電池１４は、所定の動作温度で動作して電力を発生するため、システムの起動時には、燃料電池１４が動作温度になるまで暖機する必要がある。この場合、冷却用ガスを燃料電池１４に送ると暖機効率が低下するため、図１（Ｂ）に示すように、冷却用エアポンプ２６から燃料電池１４への冷却用ガスの供給を停止する。   On the other hand, since the fuel cell 14 operates at a predetermined operating temperature and generates electric power, it is necessary to warm up until the fuel cell 14 reaches the operating temperature when the system is started. In this case, since the warm-up efficiency is lowered when the cooling gas is sent to the fuel cell 14, the supply of the cooling gas from the cooling air pump 26 to the fuel cell 14 is stopped as shown in FIG.

また、システムの起動時（暖機時）には、三方弁２２の設定を切り換えて、カソードエアポンプ１８から送られたカソードガスをバイパス流路２４に通して改質器１２の改質側へ供給する。そして、改質側に供給されたガソリンを完全酸化させるのに十分な空気量が改質側に送られるようにカソードエアポンプ１８を制御し、改質側に酸素を含む空気を多量に送り込む。これにより、改質側では、触媒燃焼（改質用触媒による燃焼）と気相燃焼（燃料と酸化ガスとの混合による燃焼）によって、供給されたガソリンが完全酸化されて、以下の（３）式に示すように、水と二酸化炭素（ＣＯ２）になる。 When the system is started (warm-up), the setting of the three-way valve 22 is switched, and the cathode gas sent from the cathode air pump 18 is supplied to the reforming side of the reformer 12 through the bypass passage 24. To do. Then, the cathode air pump 18 is controlled so that a sufficient amount of air is sent to the reforming side to completely oxidize the gasoline supplied to the reforming side, and a large amount of air containing oxygen is sent to the reforming side. Thereby, on the reforming side, the supplied gasoline is completely oxidized by catalytic combustion (combustion by the reforming catalyst) and gas phase combustion (combustion by mixing of fuel and oxidizing gas), and the following (3) As shown in the formula, water and carbon dioxide (CO 2 ) are obtained.

Ｃ８Ｈ１８＋（２５／２）Ｏ２ → ８ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ ・・・（３） C 8 H 18 + (25/2) O 2 → 8CO 2 + 9H 2 O (3)

このように、暖機時には、カソードエアポンプ１８から送られたカソードガスが、改質側においてリーン燃焼用の空気として用いられる。この結果、完全酸化による発熱によって改質器１２の温度が上昇するとともに、完全酸化によって得られた高温のガス（水蒸気、ＣＯ２）が、改質ガス流路１６を通って燃料電池１４のアノードへ送られる。従って、改質器１２、燃料電池１４を含むシステムを暖機することができる。 Thus, during warm-up, the cathode gas sent from the cathode air pump 18 is used as lean combustion air on the reforming side. As a result, the temperature of the reformer 12 rises by heat generated by complete oxidation, complete hot gas (water vapor, CO 2) obtained by the oxidation, the anode of the fuel cell 14 through the reformed gas passage 16 Sent to. Therefore, the system including the reformer 12 and the fuel cell 14 can be warmed up.

暖機が完了した後は、図１（Ａ）に示す状態に三方弁２２の設定を切り換えて、カソードエアポンプ１８から燃料電池１４のカソードへカソードガスを送るとともに、冷却用エアポンプ２６から燃料電池１４に冷却用ガスを供給して、通常運転を行う。暖機が完了したか否かの判定は、例えば燃料電池１４に温度センサを設け、温度センサの検出値が燃料電池１４の動作温度に到達したか否かを判定することで行う。   After the warm-up is completed, the setting of the three-way valve 22 is switched to the state shown in FIG. 1A to send the cathode gas from the cathode air pump 18 to the cathode of the fuel cell 14 and from the cooling air pump 26 to the fuel cell 14. The cooling gas is supplied to the normal operation. Whether or not the warm-up has been completed is determined by, for example, providing a temperature sensor in the fuel cell 14 and determining whether or not the detected value of the temperature sensor has reached the operating temperature of the fuel cell 14.

カソードエアポンプ１８から送られるカソードガスは常温のガスであるため、暖機中にカソードガスをカソードに送ると、カソードガスによって燃料電池１４が冷却されてしまい、燃料電池１４の暖機効率が低下する場合がある。本実施形態では、暖機が完了するまでの間は、カソードガスをバイパス流路２４に流すため、カソードガスがカソードに送られることがない。従って、カソードガスによる燃料電池１４の冷却を抑止することができ、暖機効率を高めることが可能となる。これにより、短時間で燃料電池１４の暖機を完了することが可能となる。また、暖機が完了するまでの間は、冷却用エアポンプ２６からの冷却用ガスの供給を停止するため、暖機効率をより向上させることができる。   Since the cathode gas sent from the cathode air pump 18 is a normal temperature gas, if the cathode gas is sent to the cathode during warm-up, the fuel cell 14 is cooled by the cathode gas, and the warm-up efficiency of the fuel cell 14 decreases. There is a case. In the present embodiment, until the warm-up is completed, the cathode gas is allowed to flow through the bypass channel 24, so that the cathode gas is not sent to the cathode. Therefore, the cooling of the fuel cell 14 by the cathode gas can be suppressed, and the warm-up efficiency can be increased. Thereby, it becomes possible to complete the warm-up of the fuel cell 14 in a short time. Further, since the supply of the cooling gas from the cooling air pump 26 is stopped until the warm-up is completed, the warm-up efficiency can be further improved.

更に、暖機時にカソードエアポンプ１８から改質側に酸素を含む空気を多量に送り込むことで、改質側でガソリンをリーン燃焼させて完全酸化することができ、この際に発生した熱によって、改質器１２、燃料電池１４を含むシステム内を確実に暖機することができる。   Further, by sending a large amount of oxygen-containing air from the cathode air pump 18 to the reforming side during warm-up, the gasoline can be lean burned on the reforming side and can be completely oxidized. The system including the quality device 12 and the fuel cell 14 can be reliably warmed up.

以上説明したように実施の形態１によれば、燃料電池１４のカソードをバイパスするバイパス流路２４を設け、暖機が完了するまでの間は、カソードガスをカソードに送ることなく、改質器１２の改質側へ直接送るようにしたため、カソードガスによって燃料電池１４が冷却されてしまうことを抑止できる。従って、暖機効率を高めることができ、短時間で燃料電池１４の暖機を完了することが可能となる。   As described above, according to the first embodiment, the bypass channel 24 for bypassing the cathode of the fuel cell 14 is provided, and the reformer is not sent to the cathode until the warm-up is completed. Therefore, the fuel cell 14 can be prevented from being cooled by the cathode gas. Therefore, the warm-up efficiency can be increased, and the warm-up of the fuel cell 14 can be completed in a short time.

なお、暖機時に、バイパス流路２４に流したカソードガスを改質器１２の燃焼側に供給し、カソードガスを燃焼側の燃焼用空気として用いてもよい。これにより、燃焼側での燃焼を促進することができ、システムの暖機効率を向上させることができる。   Note that the cathode gas that has flowed through the bypass passage 24 may be supplied to the combustion side of the reformer 12 during warm-up, and the cathode gas may be used as combustion air on the combustion side. As a result, combustion on the combustion side can be promoted, and the warm-up efficiency of the system can be improved.

また、燃料電池１４を冷却するための冷却媒体は冷却用ガスに限定されるものではない。例えば、冷却水等の液体で燃料電池１４を冷却し、暖機時に燃料電池１４への冷却水等の供給を停止するようにしても良い。   Further, the cooling medium for cooling the fuel cell 14 is not limited to the cooling gas. For example, the fuel cell 14 may be cooled with a liquid such as cooling water, and supply of the cooling water or the like to the fuel cell 14 may be stopped during warm-up.

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、実施の形態２にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。実施の形態２の燃料電池システム１０の基本的な構成は実施の形態１と同様である。 Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams illustrating the configuration of the fuel cell system 10 according to the second embodiment. The basic configuration of the fuel cell system 10 of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.

実施の形態２の燃料電池システム１０では、実施の形態１と同様に、カソードオフガスを改質器１２の改質側へ供給するため、カソードオフガス流路２０が設けられている。また、燃料電池１４を冷却するため、冷却用エアポンプ２６が設けられている。また、実施の形態２では、冷却用ガスを燃料電池１４に送る流路に三方弁２８が設けられている。そして、三方弁２８で分離した冷却用ガスを改質器１２の改質側へ送るため、流路３０が設けられている。   In the fuel cell system 10 according to the second embodiment, the cathode offgas flow path 20 is provided to supply the cathode offgas to the reforming side of the reformer 12 as in the first embodiment. A cooling air pump 26 is provided to cool the fuel cell 14. In the second embodiment, the three-way valve 28 is provided in the flow path for sending the cooling gas to the fuel cell 14. A flow path 30 is provided to send the cooling gas separated by the three-way valve 28 to the reforming side of the reformer 12.

通常の運転時には、図２（Ａ）に示すように、カソードエアポンプ１８から送られたカソードガスが、燃料電池１４のカソードに送られる。そして、カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路２０を経由して改質器１２の改質側に送られる。また、冷却用エアポンプ２６から送られた冷却用ガスが、燃料電池１４に供給されるように三方弁２８の状態が設定される。これにより、図１（Ａ）の場合と同様に、カソードオフガス中の水蒸気、酸素を改質反応の原料として改質側に供給することができ、また、冷却用ガスによって燃料電池１４を冷却することができる。   During normal operation, the cathode gas sent from the cathode air pump 18 is sent to the cathode of the fuel cell 14 as shown in FIG. The cathode offgas discharged from the cathode is sent to the reforming side of the reformer 12 via the cathode offgas flow path 20. Further, the state of the three-way valve 28 is set so that the cooling gas sent from the cooling air pump 26 is supplied to the fuel cell 14. As a result, similarly to the case of FIG. 1A, water vapor and oxygen in the cathode off-gas can be supplied to the reforming side as raw materials for the reforming reaction, and the fuel cell 14 is cooled by the cooling gas. be able to.

一方、起動時には、図２（Ｂ）に示すように、カソードエアポンプ１８からのカソードガスの供給を停止する。また、三方弁２８の設定を切り換えて、冷却用エアポンプ２６から送られた冷却用ガスを流路３０に通し、燃料電池１４をバイパスして改質器１２の改質側へ供給する。これにより、燃料電池１４への冷却用ガスの供給が停止される。そして、改質側に供給されたガソリンを完全酸化させるのに十分な空気量が改質側に送られるように冷却用エアポンプ２６を制御し、改質側に酸素を含む空気を多量に送り込む。   On the other hand, at the time of startup, the supply of cathode gas from the cathode air pump 18 is stopped as shown in FIG. Further, the setting of the three-way valve 28 is switched, the cooling gas sent from the cooling air pump 26 is passed through the flow path 30, and the fuel cell 14 is bypassed and supplied to the reforming side of the reformer 12. Thereby, the supply of the cooling gas to the fuel cell 14 is stopped. The cooling air pump 26 is controlled so that a sufficient amount of air is sent to the reforming side to completely oxidize the gasoline supplied to the reforming side, and a large amount of air containing oxygen is sent to the reforming side.

このように、システムの起動時に、燃料電池１４へのカソードガス、冷却用ガスの供給を停止することで、カソードガス、冷却用ガスによって燃料電池１４が冷却されてしまうことを抑止できる。従って、暖機効率を高めることができ、短時間で燃料電池１４の暖機を完了することが可能となる。また、冷却用エアポンプ２６から改質側に酸素を含む空気を多量に送り込むことで、実施の形態１と同様に、改質側でガソリンをリーン燃焼させて完全酸化することができ、改質器１２、燃料電池１４を含むシステム内を確実に暖機することができる。   Thus, by stopping the supply of the cathode gas and the cooling gas to the fuel cell 14 at the time of starting the system, it is possible to prevent the fuel cell 14 from being cooled by the cathode gas and the cooling gas. Therefore, the warm-up efficiency can be increased, and the warm-up of the fuel cell 14 can be completed in a short time. Further, by sending a large amount of oxygen-containing air from the cooling air pump 26 to the reforming side, gasoline can be lean burned on the reforming side and completely oxidized as in the first embodiment, and the reformer 12. The system including the fuel cell 14 can be reliably warmed up.

以上説明したように実施の形態２によれば、暖機が完了するまでの間は、燃料電池１４へのカソードガス、冷却用ガスの供給を停止するようにしたため、カソードガス、冷却用ガスによって燃料電池１４が冷却されてしまうことを抑止できる。従って、暖機効率を高めることができ、短時間で燃料電池１４の暖機を完了することが可能となる。また、暖機が完了するまでの間は、冷却用ガスを改質器１２の改質側へ送るようにしたため、改質側に供給されたガソリンを完全酸化することができ、改質器１２、燃料電池１４を含むシステム内を確実に暖機することができる。   As described above, according to the second embodiment, the supply of the cathode gas and the cooling gas to the fuel cell 14 is stopped until the warm-up is completed. It can suppress that the fuel cell 14 is cooled. Therefore, the warm-up efficiency can be increased, and the warm-up of the fuel cell 14 can be completed in a short time. Further, since the cooling gas is sent to the reforming side of the reformer 12 until the warm-up is completed, the gasoline supplied to the reforming side can be completely oxidized, and the reformer 12 Thus, the inside of the system including the fuel cell 14 can be reliably warmed up.

なお、暖機時に、燃料電池１４への冷却用ガスの供給のみを停止し、燃料電池１４へのカソードガスの供給を行うようにしても良い。これにより、燃料電池１４の暖機の状態に応じて、カソードガスを適宜に供給することが可能となる。   Note that only the cooling gas supply to the fuel cell 14 may be stopped and the cathode gas supplied to the fuel cell 14 may be supplied during warm-up. As a result, the cathode gas can be appropriately supplied according to the warm-up state of the fuel cell 14.

また、暖機時に、流路３０に流した冷却用ガスを改質器１２の燃焼側に供給し、冷却用ガスを燃焼側の燃焼用空気として用いてもよい。これにより、燃焼側での燃焼を促進することができ、システムの暖機効率を向上させることができる。   Alternatively, the cooling gas that has flowed through the flow path 30 may be supplied to the combustion side of the reformer 12 during warm-up, and the cooling gas may be used as combustion air on the combustion side. As a result, combustion on the combustion side can be promoted, and the warm-up efficiency of the system can be improved.

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、実施の形態３にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。実施の形態３の燃料電池システム１０の基本的な構成は実施の形態１と同様である。 Embodiment 3 FIG.
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams illustrating the configuration of the fuel cell system 10 according to the third embodiment. The basic configuration of the fuel cell system 10 of the third embodiment is the same as that of the first embodiment.

実施の形態３の燃料電池システム１０では、実施の形態１と同様に、カソードオフガスを改質器１２の改質側へ供給するため、カソードオフガス流路２０が設けられている。また、燃料電池１４を冷却するため、冷却用エアポンプ２６が設けられている。また、実施の形態３では、暖機時に改質器１２の改質側に空気を供給するためのエアポンプ３２が設けられている。   In the fuel cell system 10 according to the third embodiment, the cathode offgas flow path 20 is provided to supply the cathode offgas to the reforming side of the reformer 12 as in the first embodiment. A cooling air pump 26 is provided to cool the fuel cell 14. In the third embodiment, an air pump 32 is provided for supplying air to the reforming side of the reformer 12 during warm-up.

通常の運転時には、図３（Ａ）に示すように、カソードエアポンプ１８から送られたカソードガスが、燃料電池１４のカソードに送られる。そして、カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路２０を経由して改質器１２の改質側に送られる。また、冷却用エアポンプ２６から送られた冷却用ガスが燃料電池１４に供給される。これにより、図１（Ａ）の場合と同様に、カソードオフガス中の水蒸気、酸素を改質反応の原料として改質側に供給することができ、また、冷却用ガスによって燃料電池１４を冷却することができる。   During normal operation, the cathode gas sent from the cathode air pump 18 is sent to the cathode of the fuel cell 14 as shown in FIG. The cathode offgas discharged from the cathode is sent to the reforming side of the reformer 12 via the cathode offgas flow path 20. Further, the cooling gas sent from the cooling air pump 26 is supplied to the fuel cell 14. As a result, similarly to the case of FIG. 1A, water vapor and oxygen in the cathode off-gas can be supplied to the reforming side as raw materials for the reforming reaction, and the fuel cell 14 is cooled by the cooling gas. be able to.

一方、起動時には、図３（Ｂ）に示すように、カソードエアポンプ１８からのカソードガスの供給を停止する。また、冷却用エアポンプ２６からの冷却用ガスの供給も停止する。そして、エアポンプ３２を作動して、改質側に酸素を含む空気を多量に送り込み、リーン燃焼により改質側に供給されたガソリンを完全酸化する。このように、エアポンプ３２は暖機時にリーン燃焼用の空気を送るために設けられており、暖機時以外はエアポンプ３２によるエアの供給は停止される。   On the other hand, at the time of startup, as shown in FIG. 3B, the supply of the cathode gas from the cathode air pump 18 is stopped. Further, the supply of the cooling gas from the cooling air pump 26 is also stopped. Then, the air pump 32 is operated to supply a large amount of air containing oxygen to the reforming side, and the gasoline supplied to the reforming side is completely oxidized by lean combustion. As described above, the air pump 32 is provided to send air for lean combustion during warm-up, and supply of air by the air pump 32 is stopped except during warm-up.

このように、起動時にカソードガスの供給を停止することで、カソードガスによって燃料電池１４が冷却されてしまうことを抑止することができる。これにより、暖機効率を高めることができ、短時間で燃料電池１４の暖機を完了することが可能となる。また、エアポンプ３２から改質側に酸素を含む空気を多量に送り込むことで、実施の形態１と同様に、改質側でガソリンをリーン燃焼させて完全酸化することができ、改質器１２、燃料電池１４を含むシステム内を確実に暖機することができる。   Thus, by stopping the supply of the cathode gas at the time of startup, it is possible to prevent the fuel cell 14 from being cooled by the cathode gas. Thereby, the warm-up efficiency can be increased, and the warm-up of the fuel cell 14 can be completed in a short time. Further, by sending a large amount of oxygen-containing air from the air pump 32 to the reforming side, the gasoline can be lean burned on the reforming side and completely oxidized as in the first embodiment. The system including the fuel cell 14 can be reliably warmed up.

以上説明したように実施の形態３によれば、暖機が完了するまでの間は、カソードガスの供給を停止するようにしたため、カソードガスによって燃料電池１４が冷却されてしまうことを抑止できる。従って、暖機効率を高めることができ、短時間で燃料電池１４の暖機を完了することが可能となる。また、暖機が完了するまでの間は、エアポンプ３２から多量の空気を改質側へ送るようにしたため、改質側に供給されたガソリンを完全酸化することができ、改質器１２、燃料電池１４を含むシステム内を確実に暖機することができる。   As described above, according to the third embodiment, since the supply of the cathode gas is stopped until the warm-up is completed, it is possible to prevent the fuel cell 14 from being cooled by the cathode gas. Therefore, the warm-up efficiency can be increased, and the warm-up of the fuel cell 14 can be completed in a short time. In addition, since a large amount of air is sent from the air pump 32 to the reforming side until the warm-up is completed, the gasoline supplied to the reforming side can be completely oxidized, and the reformer 12, fuel The system including the battery 14 can be reliably warmed up.

なお、暖機時に、カソードエアポンプ１８、冷却用エアポンプ２６によるエアの供給の少なくとも一方を停止するようにしても良い。これにより、燃料電池１４の暖機の状態に応じて、カソードガス、冷却用ガスを適宜に供給することが可能となる。   Note that at the time of warming up, at least one of the air supply by the cathode air pump 18 and the cooling air pump 26 may be stopped. As a result, the cathode gas and the cooling gas can be appropriately supplied in accordance with the warm-up state of the fuel cell 14.

本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell system concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell system concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態３にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell system concerning Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池システム
１２ 改質器
１４ 燃料電池
２０ カソードオフガス流路
２４ バイパス流路
２６ 冷却用エアポンプ
２８ 三方弁
３０ 流路
３２ エアポンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 12 Reformer 14 Fuel cell 20 Cathode off-gas flow path 24 Bypass flow path 26 Cooling air pump 28 Three-way valve 30 Flow path 32 Air pump

Claims (4)

炭化水素系燃料の供給を受け、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部へ熱を供給する燃焼部と、を有する改質器と、
アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記改質部に供給するカソードオフガス供給手段と、
システムの暖機時に、前記カソードをバイパスして前記カソードガスを前記改質部に直接供給するバイパス手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A reformer having a reforming unit that receives a hydrocarbon-based fuel and generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction; and a combustion unit that supplies heat to the reforming unit;
A fuel cell that receives supply of the reformed gas to the anode and receives supply of cathode gas containing oxygen to the cathode to generate electric power;
Cathode off-gas supply means for supplying cathode off-gas discharged from the cathode to the reforming unit;
Bypass means for bypassing the cathode and supplying the cathode gas directly to the reforming section when the system is warmed up;
A fuel cell system comprising: システムの暖機時に、前記改質部に供給した前記カソードガスにより前記炭化水素系燃料をリーン燃焼させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrocarbon fuel is lean burned by the cathode gas supplied to the reforming section when the system is warmed up. システムの暖機完了後、前記改質部に供給した前記カソードオフガス及び前記炭化水素系燃料を原料として前記改質ガスを生成することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein after the warming-up of the system is completed, the reformed gas is generated using the cathode offgas and the hydrocarbon fuel supplied to the reforming unit as raw materials. 前記燃料電池に冷却用流体を供給する冷却用流体供給手段と、
システムの暖機時に、前記冷却用流体の供給を停止する冷却用流体供給停止手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。 A cooling fluid supply means for supplying a cooling fluid to the fuel cell;
Cooling fluid supply stopping means for stopping supply of the cooling fluid when the system is warmed up;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
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